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Einführung in das Thema Bodenerosion
Bodenerosion wird durch nicht infiltriertes Niederschlagswasser, das von einem Feld abfließt, verursacht. Dieser Prozess beginnt mit dem Aufprall der Regentropfen auf eine Bodenoberfläche. Nicht selten stellt man fest, dass der Mechanismus der Bodenerosion und der Wasserinfiltration in den Boden nicht richtig verstanden wird. Bilder, die den Aufprall eines Regentropfens auf einen nackten Boden zeigen, sind hilfreich um die Mechanismen der Wasserinfiltration in den Boden zu erklären. Solche Bilder standen bereits in den 1940er Jahren jedem zur Verfügung.
Obwohl wissenschaftliche Arbeiten und empirische Nachweise vorlagen, die den Prozess erklären, wird oft die Meinung vertreten, dass der Boden gelockert und bearbeitet werden muss, um die Wasserinfiltration in den Boden zu erhöhen und damit den Oberflächenabfluss zu reduzieren. Mit dieser Arbeit wird der Versuch unternommen, zu verdeutlichen, wie der Erosionsprozess im Boden entsteht und verläuft, damit geeignete Maßnahmen zur Eindämmung vorgenommen werden können. Erkennen und begreifen wir, was bei Betrachtung der Bilder vor sich geht? Ratlose Gesichter!
Abb. 1 und 2: Ein Desaster, das den Betrachter zum Nachdenken führt.
Ist die Bodenerosion ein unvermeidliches Phänomen?
Nicht selten wird Bodenerosion auf landwirtschaftlich genutzten Flächen als ein unvermeidbares Phänomen ackerbaulicher Nutzung akzeptiert. Bodenverluste durch Erosion sind aber keine unvermeidbaren Naturereignisse. Vielmehr sind Erosionsschäden auf landwirtschaftlich genutzten Flächen nichts anderes als ein Symptom dafür, dass auf diesem Standort ein nicht angepasstes Anbausystem zum Einsatz gekommen ist (Lal, 1982). Nicht die Natur (Hangneigung und Niederschlagsintensität) sondern die vom Menschen angewendeten Ackerbaumethoden sind für die Erosion und ihre negativen Folgen verantwortlich.
Der Landwirt kann durch Anwendung standortspezifischer, angepasster landwirtschaftlicher Anbausysteme die Erosion wirksam vermeiden, den Oberflächenabfluss reduzieren und die Wasserinfiltration in den Boden erhöhen. Dabei sollte bedacht werden, dass abfließendes Niederschlagswasser für die Pflanzen verlorengeht, während infiltriertes Wasser effektiv von den Pflanzen genutzt werden kann. Dies ist für Standorte mit geringen Niederschlägen von besonderer Bedeutung.
Gefährlich ist Erosion deshalb, weil dieses Phänomen oft ein schleichender Prozess ist, dessen Ausmaß man sich erst nach Jahren bzw. nach Generationen bewusst wird. Landeigentümer, die ihren Hof verpachten müssen, berücksichtigen, dass der Pächter sich oft nicht im geringsten für das Auftreten von Erosion interessiert und eventuell auftretende Schäden bagatellisierten. Dies ist so weil nach Entstehung z. B. der Rillenerosion ein Eggenstrich mit der Scheibenegge genügt, um die Schäden unsichtbar zu machen. Dieses sind keine Kavaliersdelikte, über die man hinwegsehen sehen kann, schließlich geht es um das Überleben des Bodens für zukünftiger Generationen.
Der Einfluss der Bodenbearbeitung auf die Erosion
Forschungsergebnisse in allen Kontinenten haben nachgewiesen, dass die konventionelle Bodenbearbeitung mit dem Pflug und Nachlaufgeräten negative Auswirkungen auf den Boden, auf dessen Struktur, Aggregatstabilität, den Wasserhaushalt und auf die Umwelt insgesamt hat (Kassam, et. al., 2000).
Dies ist auf die Verwendung von Bodenbearbeitungsgeräten zurückzuführen, die einen von der Vegetation entblößten, stark zerkleinerten, strukturlosen Boden hinterlassen. Durch Bodenbearbeitung wird der Boden in einen Zustand versetzt, dass er leicht von starken Niederschlägen weggeschwemmt werden kann. Früher oder später kommt es dann unweigerlich zu Erosionsschäden und dadurch zur Degradierung des Bodens. Die früher im Ackerbau verwendeten Bezeichnungen der „Landwirtschaft des reinen Tisches“ oder des „sauber gepflügten Ackers“, die als gute landwirtschaftliche Praxis bezeichnet wurden, ist nicht mehr zu halten.
Versäumnisse vieler Betriebsleiter und Landeigentümer, die Bedeutung der Erosion bei Anwendung konventioneller Bodenbearbeitung zu erkennen und zu begreifen, hat weltweit zu stark erodierten, kohlenstoffarmen, unfruchtbaren Böden geführt (Ochse, et al., 1961, Lal, 1982, Lal, 2009, Kassam, et . al. 2019). Verlassene, stark erodierte und unproduktive Böden sind stumme Zeugen dieses Phänomens.
Neben dem Verlust der Produktivität landwirtschaftlicher Böden führt die Bodenerosion zur Ablagerung von Sedimenten und Bodenpartikeln an unerwünschten Stellen (Straßen, Bächen, Flüssen, Seen, Staudämmen, usw.) mit all den negativen Folgen für den Verkehr, für die Stromerzeugung, für die Trinkwasserreinigung, für die Freizeit, etc. All das führt zu Kosten, die vom Staat oder der Gesellschaft bezahlt werden müssen. Wird zum Beispiel erodiertes Bodenmaterial nach einem Starkregen von einem Acker auf eine Straße gespült, dann entstehen Kosten für die Beseitigung, die dann der zuständigen Behörde, der Gemeinde, oder dem Landeigentümer in Rechnung gestellt werden müssen..
Die Bekämpfung der Bodenerosion beschränkt sich nicht nur auf die Erhaltung der Fruchtbarkeit und Qualität landwirtschaftlich genutzter Böden, sondern ist auch ein wirksames Mittel die Landflucht zu vermeiden. Neue Aspekte wie Ökosystem-dienstleistungen, z.B. Schutz vor Überschwemmungen, Kohlenstoffspeicherung im Boden, Klimawandel, Schutz und Förderung der Artenvielfalt sind Dienstleistungen, die vom Landwirt beeinflußt und in Zukunft immer mehr Beachtung finden werden, da sie die Gesellschaft als Ganzes betreffen. Eine effiziente Erosionskontrolle ist daher nicht nur unter ökonomischen Gesichtspunkten, sondern auch aus ökologischer und sozialer Sichtweise vorteilhaft. Hier geht es um das nackte Überleben zukünftiger Generationen.
Der Erosionsprozess
Abb. 3 und 4: Aufprall der Regentropfen auf eine unbedeckte, nackte Bodenoberfläche. Bei Niederschlägen hoher Intensität bombardieren die Tropfen (Durchmesser bis zu 6 mm) die Bodenoberfläche bei Aufprallgeschwindigkeiten bis zu 32 km/h. Die Aufprallenergie dieser Explosion wirft Bodenpartikel und Wassertropfen in alle Richtungen, in Entfernungen bis zu 1 m (die Bilder stammen vom Landwirtschaftsministerium der USA (USDA), aus den 1940er Jahren).
Alles beginnt mit dem Aufprall der Regentropfen auf eine nackte, unbedeckte Bodenoberfläche. Zaunpfosten, die an einem Feldrand stehen, und an denen Bodenspritzer bis zu einer Höhe von 1 m kleben, sind ein Beweis für die Energie, mit der große Regentropfen auf den Boden prallen (Harrold, 1972). Regentropfen, die in einem Jahr auf einen Hektar Land fallen, liefern nach Meyer und Mannering (1967) eine Aufprallenergie, die 50 t/ha Dynamit gleichkommen. Durch die Energie des Aufpralls werden die Bodenaggregate in winzige Teilchen zerkleinert, die sehr schnell nach Einsetzen eines Regens die dränenden Grobporen verstopfen und eine hauchdünne, oberflächige Verschlämmung verursachen, wodurch eine rasche Infiltration des Niederschlagwassers verhindert wird.
Abb. 5a, 5b und 5c: Bodenerosionsschäden: Nachhaltigkeit unmöglich!
Aufgrund dieser Verschlämmung der Bodenoberfläche kann nur ein geringer Anteil des Niederschlagwassers in den Boden eindringen, während das meiste oberflächig abfließt und dann hangabwärts Bodenteile mit sich reißt. Niederschlagswasser, das oberflächig abfließt, geht den Kulturpflanzen verloren.
Ist dagegen der Boden mit Pflanzen oder Pflanzenrückständen bedeckt, fängt die Biomasse die Energie der fallenden Regentropfen auf und das Wasser gleitet langsam durch die Mulchschicht bis auf den intakten, porösen Boden an der Oberfläche. Hier findet das Wasser nicht nur ein ungestörtes Porennetz vor, sondern Regenwurm und Wurzelkanäle der Vorfrucht, so dass das Wasser in tiefere Bodenschichten infiltrieren kann. Auf diese Weise verhindert die lebende und tote Biomasse an der Bodenoberfläche die Verstopfung der Bodenporen, fördert die Infiltration und verhindert somit die Entstehung der Bodenerosion.
Abb. 6: Phasen des Erosionsprozesses. Der Aufschlag von Regentropfen auf den nackten Boden (A) verursacht die Zerkleinerung der Bodenaggregate in winzige Teile (B), die die Bodenporen verstopfen und eine oberflächige Verschlämmung bilden (C). Das abfließende Niederschlagswasser reißt Bodenpartikel mit sich, die nach Verlangsamung der Abflussgeschwindigkeit, hangabwärts wieder abgelagert werden (D).
Trocknet die Verschlämmungsschicht aus, so entsteht eine Bodenverkrustung, die die Keimung bzw. das Wachsen von keimenden Samen erschwert oder verhindert. Bodenverkrustungen entstehen im allgemeinen nur da, wo der Boden nackt ist. Böden, die stark zu Verkrustung neigen, haben dieses Problem bei Anwendung der Direktsaat und guter Bodenbedeckung nicht.
Amerikanische Forscher (Merrill, et al. 2002), haben in langjährigen Versuchen die Bedeutung der Bodenbedeckung auf die Erosionsanfälligkeit untersucht, was in der Abbildung 8, dargestellt wird. Hier wird der Bodenbedeckungsgrad in Bezug auf das relative Erosionspotential von Wind- und Wassererosion abgebildet.
Abb. 7: Die Bodenverschlämmungsschicht ist auf dem Bild gut zu sehen
Trocknet die Verschlämmungsschicht aus, so entsteht eine Bodenverkrustung die es den Pflanzen erschwert, oder unmöglich macht, zu keimen. Abb. 7.
Foto: Dirceu Gassen
Abb. 8: Auswirkung der Bodenbedeckung auf das Erosionsrisiko (Bodenbedeckungsgrad %)
Auswirkung der Bodenbedeckung auf die Wind-und Wassererosionsanfälligkeit. Die Wassererosionsfunktion stammt aus dem (RUSLE) Modell (Revised Universal Soil Loss Equation) und die Winderosionsfunktion stammt aus dem RWEQ-Modell (Revised Wind Erosion Equation), (Merrill, et al. 2002).
Auswirkung des Bodenbedeckungsgrades auf die Wind- und Wassererosionsanfälligkeit bei unterschiedlichen Bedeckungsgraden
Hier wird die Auswirkung des Bodenbedeckungsgrades auf die Wind- und Wassererosionsanfälligkeit bei unterschiedlichen Bedeckungsgraden dargestellt. Dabei wird die große Bedeutung der Bodenbedeckung auf die Reduzierung der Erosionsanfälligkeit dargestellt. Beispielsweise ist bei 30% Prozent Bodenbedeckung die Erosionsanfälligkeit bei Winderosion nur 20% und bei Wassererosion nur 30%. Die Ergebnisse zeigen auch, dass bei 100 prozentiger Bodenbedeckung die Erosionsanfälligkeit bzw. das Erosionsrisiko annähernd null ist, mit anderen Worten, es ist dann sehr unwahrscheinlich, daß Erosionsschäden vorkommen.
Wissenschaftliche Forschungen, die mit einem Regensimulator in Brasilien durchgeführt wurden (Roth, 1985), haben erneut gezeigt, dass der Bodenbedeckungsgrad durch Pflanzenrückstände der wichtigste Faktor ist, der den Oberflächenabfluss reduziert und die Wasserinfiltration in den Boden steigert, was zu einer Reduzierung des Abflusses führt. Weltweit sind andere Wissenschaftler auf den unterschiedlichsten Boden- und Klimabedingungen, zu ähnlichen Ergebnissen gekommen.
Während bei 100%iger Bodenbedeckung das gesamte Wasser aus einem simulierten Niederschlag von 60 mm/h in den Boden eingedrungen waren, infiltrierten bei nacktem Boden nur 20 bis 25% des Niederschlages, während 75 bis 80 % des Niederschlags die Parzellen als Oberflächenabfluss verließen (Abbildung 9).
Abb. 9: Oberflächenabfluß nach 60 mm/h simulierten Niederschlags in Abhängigkeit vom Bodenbedeckungsgrad und der Art der Bodenbearbeitung. CT = Konventionelle Bodenbearbeitung mit dem Pflug (Conventional tillage), CP = Schwergrubber (Chisel ploughing) und NT = Direktsaat, keine Bodenbearbeitung (No-Tillage), (Roth, 1985).
Abbildung 9 zeigt den Oberflächenabfluss in Abhängigkeit vom Bodenbedeckungsgrad und drei Bodenbearbeitungsvarianten. Es fällt auf, dass die Linien in Bezug auf die Bodenbearbeitung in etwa parallel und auf kurzer Entfernung voneinander verlaufen. Dies zeigt, dass insbesondere der Bodenbedeckungsgrad Auswirkungen auf die Wasserinflation hatte, während die Art der Bodenbearbeitung einen geringen Einfluss auf die Wasserinfiltration hat. Die Messungen in diesem Versuch wurden kurz nach der Ernte durchgeführt und der prozentuale Anteil an Pflanzenrückständen in den Parzellen wurde per Hand reguliert.
Durch diesen Versuch wird wieder die Bedeutung der Bodenbedeckung zur Erhöhung der Wasserinfiltration in den Boden und Reduzierung des Abflusses deutlich. Unter konventioneller Bodenbearbeitung konnte das Niederschlagswasser nach wenigen Minuten nicht mehr in den Boden eindringen, da sich eine Verschlämmung gebildet hatte, die das verhinderte. Dagegen infiltrierten bei 100%iger Bodenbedeckung praktisch 100% des Niederschlags. Der Versuch zeigt erneut, dass unbedeckter Boden unter allen Umständen vermieden werden muss. Jeder Versuch den Oberflächenabfluss und die Erosion bei nacktem Boden zu verhindern, ist früher oder später zum Scheitern verurteilt.
Während einer Konferenz in den USA wurde die Bedeutung der Bodenbedeckung realitätsnah und öffentlichkeitswirksam, mit einem Regensimulator einfacher Bauart, demonstriert. Abbildung 10 zeigt diesen Simulator im Einsatz während der Pause einer Direktsaatkonferenz des Verbandes der No-till On The Plains Landwirte, in Salina, Kansas (mittlerer Westen der USA). Die Konferenz bringt in jedem Jahr über 1000 Besucher zusammen. Dort wird ein vom USDA/ARS in USA entworfener, transportabler Regensimulator vorgeführt. Der Regensimulator wird mit speziellen Düsen versehen, die einen regentropfenähnlichen Niederschlag erzeugen und die verschiedenen Kästen gleichmäßig beregnen (Abb. 10). Die vier darunter platzierten Gläser fangen über ca. 20 Minuten den jeweils resultierenden Niederschlag auf.
Abb. 10: Demonstration eines praktischen Regen- Simulators während einer Direktsaatkonferenz.
Abb. 10 b: Die auf dem Rücken liegenden Kästen.
1) 100% Bodenbedeckung: Im Auffangglas ist nur eine geringe Wassermenge zu sehen und es werden praktisch keine Sedimente im abfließenden Wasser beobachtet.
2) 30% Bodenbedeckung: es werden, wenn auch in geringem Maße, Oberflächenabfluss und Sedimente im abfließenden Wasser beobachtet.
3) Keine Bodenbedeckung = nackter Boden: hier wird eine große Menge Oberflächenabfluss beobachtet. Das oberflächig abfließende Wasser reißt Bodenpartikel mit sich, so dass es zu einer dunkelbraunen Verfärbung des Wassers führt (Glasbehälter fast voll).
4) 100% Bodenbedeckung nach Weideland bei ungestörtem Boden: Hier hat ein noch geringerer Oberflächenabfluss stattgefunden als in Nr.1). Es sind praktisch keine Sedimente zu beobachten.
Zum Abschluss dieser Demonstration wurden die o.g. Kästen um 180° gedreht und vorsichtig auf einer Zeltplane abgelegt. Die Schale ohne Bodenbedeckung zeigt (Nr. 3) (Abbildung 10 bzw. 10 b), dass im Laufe der Beregnung das Wasser ca. 2,5 cm in den Boden infiltriert war, während der darunter liegende Boden trocken blieb. Die anderen Schalen haben alle einen von oben bis unten nassen Boden gezeigt, was bedeutet, dass das Wasser gut infiltrierte.
Schlussfolgerungen und Kommentare
Der Anteil des mit Pflanzenrückständen bedeckten Bodens, ist der wichtigste Faktor, der die Wasserinfiltration in den Boden beeinflusst. Aufgrund der hohen Infiltrationsraten des mit Pflanzenrückständen bedeckten Bodens, wird der Oberflächenabfluss auf ein Minimum reduziert, so dass der Boden wirksam vor Erosion geschützt wird.
Viele Wissenschaftler haben bei den unterschiedlichsten Böden und Niederschlagsverhältnissen ähnliche Ergebnisse erzielt. Daraus lässt sich schließen, dass eine erfolgreiche Erosionsbekämpfung nur über eine schützende Bodenbedeckung aus lebenden oder toten Pflanzen eingeleitet werden kann. Bodenkonservierende Landwirtschaft und Direktsaat sind demzufolge effiziente Strategien kostengünstiger Methoden zur Vorbeugung und Kontrolle der Erosion.
Darüber hinaus ist das Direktsaatsystem nicht nur durch den Bodenschutz und die Nachhaltigkeit ländlicher Anbausysteme bekannt geworden. Dieses naturnahe Anbausystem beflügelt die Kreativität der Landwirte und erfährt dadurch ungeahnte Ergebnisse, die eine Bereicherung dieses bodenaufbauenden und regenerativen Anbausystems bedeuten.
Auswirkungen einer permanenten Direktsaat
Die Praxis hat gezeigt, dass bei Anwendung einer permanenten Direktsaat sich die Bodenqualität, insbesondere durch die Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes, von Jahr zu Jahr verbessert und der Einsatz von Dünger und Pflanzenschutzmitteln erheblich reduziert werden kann. Landwirte aus Südamerika, die 20, 30 oder gar 40 Jahre ununterbrochen Direktsaat praktizieren, stellen fest, dass die Erträge (aufgrund des anwachsenden Humusgehaltes) ständig steigen (Dijkstra, 2020, Bartz, 2020).
Dagegen hat die konventionelle Bodenbearbeitung mit dem Pflug und Nachlaufgeräten (ein naturfernes Anbausystem), negative Auswirkungen auf den Boden, auf dessen Struktur, den Humusgehalt, auf die Aggregatstabilität, der Wasserhaushalt, auf die Bodenbiologie und auf die Umwelt insgesamt. Pflügen hinterlässt einen nackten Boden, zerstört Bodenaggregate, Myzelien, Pilze und Bodenleben und führt zu Erosion und Bodendegradation.
Auch führt das Pflügen zu Kohlenstoffabbau bei gleichzeitiger Freisetzung von CO2 in die Atmosphäre. Dazu kommt, dass die Bodenbearbeitung das vertikale Porensystem zerstört, welches durch Wurzeln, Regenwürmer und andere Bodentiere entstanden ist. Dabei sollte nicht vergessen werden, dass jeder Arbeitsgang der Bodenbearbeitung wertvolle Bodenwasserverluste mit sich bringt (bis zu 15 mm bei jedem Durchgang) und einen höheren Dieselverbrauch (ca. 66%) im Vergleich zur Direktsaat erzeugt.
Das alles führt zu einem nicht unerheblichen Gesamtschaden für die Umwelt sowie für die Nachhaltigkeit. Durch Beibehaltung der Bodenbearbeitung kann ein nachhaltiger Ackerbau nicht erreicht werden.
Andererseits ist das System Direktsaat eine Technologie, die eine langfristige Erhaltung und Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit und Bodenproduktivität mit sich bringt. Auch führt die Bodenbedeckung in Direktsaat zu einer Reduzierung der Bodentemperatur und der Verdunstung, was einen Einfluss auf die Erhöhung des verfügbaren Wassers im Boden hat. Das wiederum hat positive Effekte auf das Bodenleben, die biologische Aktivität, den Schutz der Artenvielfalt, Verschlämmungsgefahr des Bodens, der Befahrbarkeit der Ackerflächen, sowie Verbesserung der chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften des Bodens, was mittel- und langfristig zu einer Erhöhung der Produktivität der Böden führt.
Sowohl praktische Erfahrungen der Landwirte als auch Wissenschaftliche Untersuchungen haben erwiesen, dass Anbausysteme mit dauerhafter Bodenbedeckung unerlässlich für die Nachhaltigkeit der landwirtschaftlichen Produktion sind. „Die langfristigen Vorteile einer weltweiten Verbreitung der Direktsaat könnten erfolgversprechender sein als jede andere Innovation der Landwirtschaft in Entwicklungsländern“ (Warren, 1981).
Literaturnachweis
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- Derpsch, R., Roth, C.H., Sidiras, N. & Köpke, U., 1988: Erosionsbekämpfung in Paraná, Brasilien: Mulchsysteme, Direktsaat und konservierende Bodenbearbeitung. Sonderpublikation der GTZ, N° 205, Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH, Eschborn, TZ-Verlagsgesellschaft mbH, Rossdorf, 270 pp.
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- Harrold, L.L., 1972: Soil erosion by water as affected by reduced tillage systems. Proceedings No-tillage Systems Symp. Feb. 21 – 22, 1972, Ohio State University, 21 – 29
- Kassam, A., Derpsch, R. and Friedrich, T., 2020: Development of Conservation Agriculture systems globally. In: Kassam, A. (ed) Advances in Conservation Agriculture Volume 1: Systems and Science. Burleigh Dodds, Cambridge, UK.
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